低压线路在线SPD 安全性能检测及监测探讨

1、随着电涌保护器（SPD） 防护技术的普及， 在线SPD 数量越来越多， 但安装多年的低压线路在线SPD 的安全性能问题并未引起业主的足够重视。文章列举了在线SPD 安全性能维护、检测的相关规范要求， 探讨了实际在线SPD 检测过程中存在的一些问题， 提出一种在线SPD 实时动态监测、管理系统， 并对该系统的软、硬件构架及功能进行了介绍。 关键词 电涌保护器（SPD） 安全性能 检测 监测 管理 1 低压线路在线SPD 安全性能应引起重视 建筑物防雷设计规范（GB 50057- 94， 2000年版） 及建筑物电子信息系统防雷技术规范（GB 50343-2004） 出台以来，建筑物的低压供电线路

2、、信息传输线路， 如： 信息系统中心（计算机网络中心， 有线、无线通信机房， 有线电视机房） 的电源设备或电力电子设备； 建筑物整体安全监控中心（如消防监控中心， 电梯控制室， 楼宇自动控制中心） 的电源设备； 重要的大型电气设备（如消防用电动机，中央空调用电动机， 电梯动力设备， 变频生活给水泵）， 尤其是配备智能控制模块、电子监控模块、电力电子模块或装置的设备； 关系人身安全的场所（如医院手术室、急救室、监护室、电子医疗设备室） 的供电和照明线路， 都普遍采用了电涌保护（SPD），用于限制瞬态过电压和泄放电涌电流。 SPD 作为建筑电气的一部分， 一般并联设置在配电线路，SPD平时不导通时

3、呈高阻状态， 当雷击电涌达到开启门限导通时， 瞬变为低阻状态将雷击电涌电流泄流入地， 以起到良好地保护电气、电子设备的作用。 随着SPD 防护的普及， 在线SPD 数量越来越多。设置在配电线路的SPD 长期在线运行时， 在抵御雷击脉冲侵扰的同时， 也在自然老化； 一旦SPD劣化， 使用ZnO 压敏材料的器件， 由于压敏电阻性能劣化， 会导致温度升高， 引起压敏电阻热崩溃， 从而导致漏电流增大且防护功能失效， 严重时可能发生器件爆炸、起火1； 当雷击发生时， SPD 已失去防御功能， 雷击电涌将会影响楼宇内电气设备、信息系统设备的正常运行。 然而， 一般单位不具有防雷专职管理人员， 在线多年的S

4、PD 存在的安全隐患可能未引起人们的足够重视， 在此， 笔者呼吁： 一方面， 业主应重视安装多年的SPD 安全性能现状； 另一方面， 建筑物防雷装置检测技术规范（GB / T 2143 1 - 2 008）已于2008 年10 月1 日实施，防雷检测工作者应切实有效地做好SPD 安全性能检测、评价。对无人值守的重要场所， 以实施在线SPD 实时动态监测、管理为宜。 2 在线SPD 常规维护、检测相关要求 对于在线SPD 维护， 建筑物电子信息系统防雷技术规范8 1 3 条规定： “日常性维护应在每次雷击之后进行。在雷电活动强烈的地区， 对防雷装置应随时进行目测检查。” 8 1 8 条规定： “

5、检查各类浪涌保护器的运行情况： 有无接触不良、漏电流是否过大、发热、绝缘是否良好、积尘是否过多等， 出现故障， 应及时排除。” 建筑物防雷装置检测技术规范对电源SPD 的测试作出如下规定。 5 8 3 1 条规定： SPD 运行期间， 会因长时间工作或因处在恶劣环境中而老化， 也可能因受雷击电涌而引起性能下降、失效等故障。因此需定期进行检查。如测试结果表明SPD 劣化， 或状态指示指出SPD 失效， 应及时更换。 5 8 3 2 条规定： 泄漏电流Ile的测试： 除电压开关型外， SPD 在并联接入电网后都会有微安级的电流通过， 如果此值偏大， 说明SPD 性能劣化， 应及时更换。可使用防雷元

6、件测试仪或泄漏电流测试表对限压型SPD 的Ile值进行静态试验。规定在0 . 75 U1mA下测试。 5 8 3 3 条规定直流参考电压（U1mA） 的测试： a . 本试验仅适用于以金属氧化物压敏电阻（MOV） 为限压元件且无其他并联元件的SPD。主要测量在MOV 通过1 mA 直流电流时， 其两端的电压值。 b . 将SPD 的可插拔模块取下测试， 按测试说明书连接进行测试。 c . 将测试仪器的输出电压值按仪器使用说明及试品的标称值选定， 并逐渐提高， 直到测到通过1mA 直流电流时的压敏电压。 从上述相关要求可看到， 在线SPD 的具体现场检测， 仍然是要取下SPD 离线进行检测。“压

7、敏电压测试仪” 仅测试氧化锌阀片压敏电压， 以确定其雷击电涌发生时SPD 导通门限电压。同理， 用“泄漏电流Ile测试仪” 也仅可离线测试氧化锌阀片的泄漏电流Ile值。而便携式“ 雷电电涌测试仪” 提供1. 2 / 50 s - 8 / 20 s 组合波的6 kV / 3 kA 可调模拟电涌， 产品说明书称： 可做放电间隙放电（动作） 电压、MOV 型SPD 限制电压（ 残压） 的测试。但如要对标称放电电流In为几十kA （8 / 20 s）的SPD 实施检测， 试验冲击电流3 kA 是否显得小了点？ 据了解， 具有一定生产规模的SPD 生产厂家一般具备数种模拟雷击波冲击试验设备。如金属氧化物

8、压敏电阻（MOV） ， 倘若产品标称放电电流In为80kA （8 / 20 s）， 在筛选阀片试验时， 至少使用20kA （8 / 20 s） 进行冲击选片。 低压配电系统的电涌保护器（SPD） %第1 部分： 性能要求和试验方法（GB 18802. 1 - 2002） 中7 5 2 条规定用8 / 20 s 冲击电流测量残压的试验步骤： a . 应依次施加峰值约为0. 1； 0. 2； 0. 5； 1. 0和2 In的8 / 20 s 冲击电流。 注： 如果2 In试验电流超过电器的Imax， 那么最终的试验值可放宽到1. 2 In 。 b . 对SPD 施加一个正极性和一个负极性序列。 c

9、 . 最后， 如果Imax或Ipeak大于In， 则至少对SPD 施加一次Imax或Ipeak冲击电流， 电流极性为前面试验中残压较大的极性。 d . 每次冲击的间隔时间应足以使试品冷却到环境温度。 e . 每次冲击应记录电流和电压示波图。把冲击电流和电压的峰值（绝对值） 绘成放电电流与残压的关系曲线图， 应画出最吻合数据点的曲线。曲线上应有足够的点， 以确保直至Ima或Ipeak的曲线没有明显的偏差。 f . 决定限制电压的残压由下列电流范围内相应曲线的最高电压值来确定， 级： 直到Ipeak或In取较大值；级： 直到In 。 相关行业专业试验室、国家级SPD 测试试验室一般根据低压配电系统

10、的电涌保护器（SPD） %第1 部分： 性能要求和试验方法规定，对SPD 生产厂家的产品做送检试验或抽检试验。 现实中的在线SPD， 如果所处雷击环境比较恶劣， 可能有的SPD 已经遭受数次电涌冲击， 处于正常与损坏的临界区域， 即便用“ 压敏电压测试仪”、“ 泄漏电流I le测试仪” 与“ 雷电电涌测试仪” 做现场测试， 也很难判定被测SPD 合格与否。特别是一些单位未建立SPD 遥测监控， 所安装的SPD 不具备声光报警功能， 在线SPD 可能会埋下安全隐患。 3 在线雷击过电流智能监测、管理系统 众所周知， 上述在线SPD 的具体现场检测， 势必需要投入大量的人力、物力、财力， 因为检测

11、工作必须由取得计量论证合格、由技术监督机构授以CMA （ China Metrology Accreditation， 中国计量认证） 图章、并取得气象主管机构授权的合法检测机构方可检测。笔者认为： “在线雷击过电流智能监测、管理系统” 才是实时、动态监测记录雷击、判别在线SPD 正常与否的有效工具， 相关技术已获得专利。 3 1 在线雷击过电流智能监测、管理系统组成 3 1 1 硬件系统构架 a . 入侵雷击电流采集探头（传感器）， 高灵敏度设计， 动态范围大， 为每线1 100 kA （8 / 20 s），响应速度快。 b . 现场终端， 使用工业级器件， 两级Watchdog （看门狗）

12、 设计， 高速FPGA （现场可编程逻辑门阵列） 采集芯片， 采用宽电源供电， 电涌防护、强脉冲抑制等措施。FPGA 配接、流程示意框图见下图。 c . 中心显示平台， 专用服务器一台， 安装Windows Server 系统， 运行专为系统开发的软件包和SQL 数据库。 3 1 2 软件系统构架 a . 采用Client / Server （ 客户/ 服务器） 结构， 后台采用SQL 数据库， 支持Web 访问和查询，支持终端管理功能（ 用户可以创建新的终端，定义终端的属性及终端每个采集口的名称以方便管理）。 b . 报警窗口在系统设置的响应时间内未响应，系统将发短信通知相应用户； 报警窗口

13、关闭， 系统则不发送短信。 c . 在线SPD 管理， 管理SPD 的基本属性和参数， 如： 编号、品牌、型号、安装时间、雷击次数、雷击时间、泄流电流幅值及波形。 d . 现场终端管理， 包括终端基本信息和参数管理， 以及终端开关量及模拟电流与SPD 的对应设置。 e . 报警管理， 报警触发分两种情况： 第一， 在线SPD 损坏， 在线SPD 受雷击后， 动态监测性能变化。第二， 系统定时检测， 针对SPD 使用寿命期限等情况， 在其即将失效前进行预警， 提醒更换， 从而能更加有效地保护设备。 报警设置， 设置在线SPD 不同型号的不同报警条件， 1 个型号对应1 条报警规则。报警记录查询，

14、 根据报警信息、报警时间、处理情况等进行查询。 f . 维护管理， 包括： 权限管理， 支持多用户分级权限管理， 对Web 访问用户给予最低权限； 基础资料管理， 给系统内各在线SPD 建立基础信息库；报表维护， 统计雷击记录（日期、地点、在线SPD泄流电流）， 统计在线SPD 更换记录（日期、地点、在线SPD 型号）。 3 2 在线雷击过电流智能监测、管理系统主要特点与技术指标 a . 对低压供电线路、信息传输线路雷电入侵次数统计； 对入侵雷击信号的最大值、持续时间、极性等参数的采集， 采集范围每线1 100 kA （8 / 20 s）；对雷击信号持续高速采集、数字滤波及对有效数据与无效数据

15、进行分离处理， 将所采集的有效数据转换并处理还原真值及波形。 b . 使用10 / 100 Base - T 通讯接口， 支持短信功能和GPRS （通用分组无线业务） 通信。 c . 现场数据实时发送到监控中心。 d . 工作电压： 220V AC 、48V DC 任选。 e . 采集数据精度： D 10 位。 f . 系统还原真值平均误差精度： E 5%。 g . 图表化管理， 支持生成各类统计报表。将雷击入侵泄流电流的大小和波形以及在线SPD 的动作情况图表化显示。 h . 在线SPD 台帐管理。 i . 为保证系统可靠运行， 系统设计了完善的运行状态自检程序： 采集探头异常、通讯异常、温度异常、终端异常等的自检。当系统发生上述异常时均会发出报警信号， 提醒用户检修或更换故障设备。 4 结束语 由于雷击的突发性、瞬变性， 即使具有雷击过电流烧蚀、熔损的客观痕迹的物理特性， 也很难判断其雷击电流幅值， 何况许多雷灾现场往往找不到痕迹。以往安装SPD 的场所没有科学、量化的技术仪表直观显现雷击电流幅值参数及波形。如今， “在线雷击过电流智能监测、管理系统”的应用， 实现了雷击电流从定性到定量的在线测量与分析。对雷电可能经常光顾或者SPD 设置数量较多的场所， 有意识地设置“在线雷